Nature Communication：几何组装超稳定蛋白模板可用于制备纳米材料

制备纳米级材料的设备需要建筑模板用来将功能分子按设定好的位置安放。蛋白质支架由于其固有的分子识别和自组装能力，结合基因编码的功能，成为纳米材料制备最有发展前景的模板。

然而，该方法的困难在于如何将蛋白质的四级结构改造为稳定且有序的模板。为了将丝状蛋白组装成几何尺寸和对称性都可控的模板，研究人员开发了一种超稳定生物分子工程装备。

该方法可同时将设计蛋白质之间的交互作用与可调连接器蛋白质的产生结合起来，可调连接器蛋白质可控制丝状蛋白质的组装和投影角度。这些纳米级结构的作用为，将纳米颗粒整合到特定的位置和取向，从而来制备混合材料（如导电纳米线）。这些新的结构构件促进了形状多样、各种加工条件下功能性纳米材料的制备。

图文导读：

图一：将工程纤维转组装为高阶结构的结构和设计原则
图1：(a) γ-PDF（γ-前折叠素）蛋白丝的扫面电镜图像 (比例尺： 100nm)。(b)图展示了γ-PDF的亚基有两个β-sheets、图中以X1和X2表示，两侧区域有盘绕的螺旋线圈。(c) 图为β-sheets区域将亚基组装成长纤维的示意图。(d)图为将丝棒和连接器组装成高阶结构的设计和装配示意图。

图二：γ-PDF蛋白丝的几何组装

图2：(a)图为双向连接器，它由两个TERM（一种加帽蛋白：耐高温扩展变体）单体融合在一起而成。每个连接器都确定了蛋白丝之间的一个特定夹角。(b)图为γ-PDF蛋白丝由连接器向两个方向上进行了伸长。(c)图：在连接器的接口处，由于TERM的X1 β-sheets的特定取向而形成了一个特定的夹角。(d)图为由γ-PDF组成的双向连接器组装成自闭结构(e)或(f)8字形结构的扫描电镜图像(比例尺：100nm)。(g)为由折叠三聚体域TERM融合而成的三向连接器。 (h)为折叠TERM的三聚物，它由γ-PDF 组装而成。(i) 沿着三聚物的TERM的β-sheets的接口处向外伸长而形成了风车结构。(j)三向连接器将三个γ-PDF蛋白丝组装三个方向长度延伸一致的风车结构，图为该结构的扫描电镜图片。(k)图的扫描电镜图片将定位黄金纳米颗粒(箭头所指) 共价连接到连接器的c端（羧基端）半胱氨酸上证实了风车结构(比例尺：50 nm)。(l)使用高化学计量比的三向连接器使蛋白丝交互连接到彼此的γ-PDF 上(比例尺：200nm)。

图三：控制连接器组装的γ-PDF接口工程

图3：(a) De novo蛋白质模型的TERM-(E-coil) 和TERM-(K-coil)的通过异质二聚体卷曲螺旋而连接在一起。(b)图中的螺旋轮表示E3 / K3异质二聚体，图为卷曲螺旋的横截面 (三个字母氨基酸代码)。螺旋间相互的的疏水作用(a-a’，b-b’)和静电作用(g-e‘ ，e-g’)用箭头标出。(c)图显示了TERM-(E-coil)（通道1） 和TERM-(K-coil)（通道2）单独或混合在一起(通道3)的非变性凝胶电泳图。通道4中为γ-PDF蛋白丝太大而不能在凝胶中通过;然而，当γ-PDF蛋白丝中混合TERM-(E-coil)（通道5） 或TERM-(K-coil)（通道6）后，蛋白丝受限，其伸长就受到抑制，从而产生不同纤维单元数量的蛋白丝。通道L为标准蛋白质。(d) 图解释了γ-PDF蛋白丝的长度受限于不同的TERM-(E-coil) 或者TERM-(K-coil)含量。 (e)图展示了TERM-(E-coil)受限的蛋白丝通过异质二聚体连接在三向连接器的折叠TERM-(E-coil)的终端。(f)为由受限于TERM-(E-coil)的γ-PDF蛋白丝组装成的折叠TERM- (K-coil)三向连接器。(g-h)图为随着折叠TERM-(E-coil)浓度的增加，封顶蛋白丝纤维之间的相互交联作用可控地增加。

图四：纳米粒子在蛋白丝模板上的定位控制

图4:(a)图为金纳米颗粒附着在γ-PDF子单元c端的原理图(比例尺：200nm)。(b)和(c)图分别为1.8 nm和5nm的镍氮川三乙酸纳米金（Ni-NTA-nanogold）附着排列在γ-PDF蛋白丝上的扫描电镜图片。(d)为在排列有镍氮川三乙酸纳米金的蛋白丝上再沉积上纳米金颗粒而得到的连续纳米金线的扫描电镜图像。(e)以1：50的比率，得到的统一长度的TERM-(E-coil)纳米蛋白丝的扫描电镜图像。(f)为将TERM-(E-coil)封顶蛋白丝装配在三向连接器上再排列上纳米金颗粒就得到了可导电的纳米结构。c-f图，比例尺为100nm。(g)在电极间距之间搭建起桥梁的纳米蛋白丝的扫描电镜图片(比例尺500nm)。(h) 图为γ-PDF-Au纳米线两端的电流-电压（I-V）曲线。(i)为随着电压的上升，电阻的变化曲线。

文献链接：Geometrical assembly of ultrastable protein templates for nanomaterials